面向電力系統(tǒng)的“運籌學(xué)”教學(xué)改革與實踐

面對電力系統(tǒng)的“運籌學(xué)”教學(xué)改革與實踐摘要：“運籌學(xué)”是三峽高校電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)碩士生培育方案中一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。為了讓學(xué)生學(xué)以致用，針對本專業(yè)面對電力系統(tǒng)的特點，從工程應(yīng)用的角度，對“運籌學(xué)”課程教學(xué)進行了改革：將本課程教學(xué)視為由理論部分、案例分析與實踐部分三個親密聯(lián)系環(huán)節(jié)所組成的有機整體，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、突出教學(xué)重點、整合教學(xué)方法、改進考核方式。實踐表明改革提高了學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)和科技創(chuàng)新實力。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)；運籌學(xué)；課程體系；教學(xué)改革

運籌學(xué)是一門廣泛應(yīng)用現(xiàn)有的科學(xué)技術(shù)學(xué)問和數(shù)學(xué)方法解決實際中提出的特地問題，為決策者選擇最優(yōu)決策供應(yīng)定量依據(jù)的科學(xué)。[1]由于運籌學(xué)側(cè)重解決實際問題，三峽高校電氣與新能源學(xué)院自2000年獲得電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)工學(xué)碩士點以來就開設(shè)了該課程，并將其設(shè)置為基礎(chǔ)學(xué)位課。設(shè)置該課程的初衷是要求電自專業(yè)碩士探討生能夠運用數(shù)學(xué)優(yōu)化的思維方法解決電力系統(tǒng)的實際問題。通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)當(dāng)駕馭基本的定量思維技巧，并具有運用科學(xué)的定量分析方法解決電力系統(tǒng)實際問題的實力及思維習(xí)慣，為后期進行科學(xué)探討打下堅實的理論基礎(chǔ)。因此，本課程在電自專業(yè)碩士探討生的培育體系中占有重要地位。

傳統(tǒng)的“運籌學(xué)”教學(xué)過于注意定義的說明、定理的推導(dǎo)以及手工演算的訓(xùn)練，缺乏對運籌學(xué)分析問題、解決問題方法的講授，學(xué)生普遍覺得“運籌學(xué)”難學(xué)，培育出的學(xué)生存在“學(xué)而不知其用”的通病。為了克服這些問題，切實提高人才培育質(zhì)量、加強“運籌學(xué)”的專業(yè)基礎(chǔ)地位并充分發(fā)揮“運籌學(xué)”在科學(xué)探討中的作用，三峽高校電氣與新能源學(xué)院運籌學(xué)課程組老師針對電自專業(yè)人才培育面對電力系統(tǒng)的特點，開展了“運籌學(xué)”課程教學(xué)改革，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式以及考核與評價等方面進行了大膽探究，勇于創(chuàng)新，敢于實踐，產(chǎn)生了很好的效果。本文就該課程教學(xué)改革與實踐進行了總結(jié)。

一、教學(xué)內(nèi)容改革

運籌學(xué)是一門應(yīng)用科學(xué)，它來源于實踐，在實踐中得以發(fā)展并服務(wù)于實踐。電自專業(yè)碩士探討生“運籌學(xué)”課程擔(dān)負(fù)著對學(xué)生定量分析和優(yōu)化決策電力系統(tǒng)實際問題的實力進行培育的任務(wù)。因此，要想取得良好的教學(xué)效果，“運籌學(xué)”的教學(xué)必需從實際電力問題動身，抽象出優(yōu)化模型并加以求解，并依據(jù)計算結(jié)果對實際問題進行說明說明。這樣既有助于學(xué)生消化理論學(xué)問，又能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)愛好。在改革過程中突破原有“運籌學(xué)”課堂教學(xué)側(cè)重于基本原理和算法的理論講授模式，依據(jù)運籌學(xué)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用實際，重新設(shè)計了該課程的教學(xué)環(huán)節(jié)：除了理論教學(xué)外，增設(shè)了試驗教學(xué)環(huán)節(jié)，輔以大量具有電力背景的案例加以分析，并合理安排各部分的教學(xué)學(xué)時。其中，理論教學(xué)是實踐教學(xué)的基礎(chǔ)，案例分析是理論學(xué)問的應(yīng)用，試驗教學(xué)則為案例分析供應(yīng)了必要的前提，三個環(huán)節(jié)有機組合，形成一個完整的教學(xué)體系。它們之間的關(guān)系如圖1所示。

1.理論與案例分析教學(xué)內(nèi)容設(shè)計

“運籌學(xué)”課程具有理論性強的特點，所以要求學(xué)生具有較好的數(shù)學(xué)分析實力。依據(jù)“運籌學(xué)”課程中各理論方法的特點將理論教學(xué)內(nèi)容分為三大部分：數(shù)學(xué)規(guī)劃、組合優(yōu)化與隨機優(yōu)化。在教學(xué)過程中，強調(diào)基本原理的講解、優(yōu)化方法的運用以及求解算法的推導(dǎo)。

為了引導(dǎo)學(xué)生正確理解運籌學(xué)的基本理論方法，培育學(xué)生對運籌學(xué)的學(xué)習(xí)愛好，提高學(xué)生應(yīng)用運籌學(xué)分析、解決實際問題的實力，真正做到學(xué)知所用，在理論教學(xué)環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)上增加了案例教學(xué)，輔以相關(guān)電力系統(tǒng)案例分析對理論學(xué)問加以強化。電力系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計和運行中的諸多優(yōu)化與決策問題都可以運用運籌學(xué)來尋求解決方法，例如配電網(wǎng)重構(gòu)、電力系統(tǒng)檢修支配、電力系統(tǒng)的經(jīng)濟運行與限制、水力發(fā)電中的水庫優(yōu)化調(diào)度、電力系統(tǒng)平安評價、電力需求側(cè)管理、電力市場競價、電力企業(yè)管理等。[2]理論與案例分析教學(xué)內(nèi)容詳細(xì)支配如表1所示。其中，線性規(guī)劃、整數(shù)規(guī)劃、非線性規(guī)劃、動態(tài)規(guī)劃、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化與排隊論是教學(xué)重點。

表1理論與案例分析教學(xué)內(nèi)容表

教學(xué)內(nèi)容 教學(xué)章節(jié) 案例教學(xué)

數(shù)學(xué)規(guī)劃 線性規(guī)劃 輸電線路規(guī)劃問題；發(fā)電機組燃料管理問題

整數(shù)規(guī)劃 配電網(wǎng)時間檢修支配問題；發(fā)電機組最優(yōu)啟停問題

目標(biāo)規(guī)劃 電力項目優(yōu)先開發(fā)次序問題；電力企業(yè)投資規(guī)劃問題

非線性規(guī)劃 火電系統(tǒng)有功負(fù)荷經(jīng)濟調(diào)度；水火電系統(tǒng)有功負(fù)荷經(jīng)濟調(diào)度

動態(tài)規(guī)劃 水庫優(yōu)化調(diào)度；發(fā)電功率最優(yōu)增長問題

組合優(yōu)化 網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化 配電網(wǎng)檢修最優(yōu)負(fù)荷轉(zhuǎn)移路徑問題；配電網(wǎng)重構(gòu)

統(tǒng)籌圖 電力設(shè)備檢修規(guī)劃問題；電力施工進度規(guī)劃管理

隨機優(yōu)化 排隊論 電力負(fù)荷預(yù)料問題；電力系統(tǒng)主干網(wǎng)帶寬容量決策問題

決策分析 電力企業(yè)績效評估；電力設(shè)備選購 決策問題

對策論 電力市場競價問題；電力企業(yè)管理問題

2.實踐環(huán)節(jié)教學(xué)內(nèi)容支配

實踐環(huán)節(jié)的增設(shè)是為了讓學(xué)生能夠借助計算機軟件對運籌學(xué)問題進行問題描述、數(shù)據(jù)處理、模型建立與求解，使學(xué)生駕馭運用相應(yīng)軟件協(xié)助解決運籌學(xué)問題的基本方法，鞏固理論課程學(xué)習(xí)內(nèi)容，為進一步學(xué)以致用打下基礎(chǔ)。實踐教學(xué)內(nèi)容的支配注意突出理論教學(xué)重點。時間支配上，試驗教學(xué)與理論教學(xué)穿插交互進行，相輔相成。

考慮到授課對象是具有較強自學(xué)實力和較好試驗配備的碩士探討生，對于通用的運籌學(xué)模型求解工具，如qsb、winqsb、excel和lindo/lingo等教學(xué)中會提及，[3]但要求學(xué)生自學(xué)駕馭。試驗教學(xué)部分重點講解matlab優(yōu)化編程，[4]講授分為基礎(chǔ)篇與提高篇：基礎(chǔ)篇主要幫助學(xué)生鞏固有關(guān)原理和概念，熬煉學(xué)生利用計算機工具分析求解一般問題的實力；提高篇中會適當(dāng)擴充優(yōu)化算法及其實現(xiàn)方面的內(nèi)容，如遺傳算法、粒子群算法、魚群算法、免疫算法等，以開闊學(xué)生的視野，重難點是遺傳算法與粒子群算法的matlab編程實現(xiàn)。詳細(xì)試驗內(nèi)容與目的要求如表2所示。

表2試驗課教學(xué)內(nèi)容及目的要求

試驗內(nèi)容 目的要求

基礎(chǔ)篇 線性規(guī)劃 嫻熟駕馭matlab優(yōu)化工具箱，駕馭matlab中求解線性規(guī)劃的基本算法：單純形法與內(nèi)點法，能編寫matlab程序求解線性規(guī)劃問題，并進行靈敏度分析，正確完成求解過程及分析過程

整數(shù)規(guī)劃 編程實現(xiàn)求解整數(shù)規(guī)劃的割平面法與分枝定界法的matlab程序，能嫻熟進行相關(guān)問題的求解和分析。有實力的同學(xué)進一步駕馭分解算法的matlab實現(xiàn)技術(shù)，對混合整數(shù)規(guī)劃問題進行分析

無約束優(yōu)化問題 駕馭幾種常見的求無約束問題的算法，如黃金分割法、拋物線法、牛頓法、導(dǎo)數(shù)計算法等，能嫻熟運用matlab求解無約束問題，了解不同求解算法及其實現(xiàn)過程的特點

約束優(yōu)化問題 能嫻熟編寫約束優(yōu)化算法的matlab程序，如外點罰函數(shù)法、內(nèi)點罰函數(shù)法、拉格朗日乘子法，弄清如何找尋罰函數(shù)，選擇效用函數(shù)等基本問題。有實力者可駕馭rosen梯度投影法與復(fù)合形法

提高篇 遺傳算法 駕馭遺傳算法基本思想，能嫻熟運用遺傳算法與干脆搜尋工具箱編寫matlab程序。能應(yīng)用遺傳算法處理整數(shù)規(guī)劃、約束優(yōu)化、動態(tài)規(guī)劃、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃等優(yōu)化問題，進行正確的求解與分析

粒子群算法 理解粒子群算法的基本思想與實現(xiàn)過程，能用matlab編寫粒子群算法求解線性規(guī)劃、非線性規(guī)劃、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、排隊論等隨機規(guī)劃數(shù)學(xué)模型，并能對仿真算法與結(jié)果進行分析

二、教學(xué)方式改革

“運籌學(xué)”就學(xué)科特點而言，強調(diào)“系統(tǒng)集成、學(xué)科交叉、講求效益”，注意以客觀需求為牽引，以實際問題為指導(dǎo)，以技術(shù)發(fā)展為推動力，明確目的與任務(wù)，講求方法與理論，注意交叉與合作、追求優(yōu)化與效益。結(jié)合運籌學(xué)的這些特點在以下三個方面對課程教學(xué)方式進行了改革探究。

1.強調(diào)探討式教學(xué)

課堂教學(xué)過程中不再一味地在講臺上說明定義、推導(dǎo)定理、演示手工計算步驟，而是在課堂上引入探討式的教學(xué)方式。在引入案例分析教學(xué)之余，還將學(xué)生生活、學(xué)習(xí)中接觸到的點滴通過形象的例子來說明。說明運籌學(xué)深邃的理論與定理，采納拋磚引玉的方式和提問的方法拋出探究性的話題，激發(fā)學(xué)生自主思索問題、主動表達(dá)觀點的欲望，讓學(xué)生加入到教學(xué)活動中來，使其由教學(xué)過程中的被動接受者變成主動主動的參加者，盡量寓趣于學(xué)，寓教于樂，讓學(xué)生在思索探討的過程中輕松領(lǐng)悟到運籌學(xué)中所包含的學(xué)術(shù)精髓。

2.有效結(jié)合多媒體演示與傳統(tǒng)板書

教學(xué)過程中辯證運用多媒體教學(xué)手段：對于書寫不便利（如案例資料）、書寫表達(dá)不直觀（如圖論與網(wǎng)絡(luò)）以及對上次課堂教學(xué)的溫習(xí)等，采納多媒體教學(xué)手段；而對于重點、難點，學(xué)問點連貫性與邏輯性較強的章節(jié)，則側(cè)重于黑板板書的形式，讓學(xué)生利用板書時間，作短時間地整理停頓和思索打算，調(diào)整思維進入下一個學(xué)問點，避開了照屏宣科的單調(diào)。這兩種教學(xué)方式有效結(jié)合，既充分利用了多媒體教學(xué)信息量大、快速便捷的優(yōu)勢，又發(fā)揮了黑板板書過程清晰明白、便于理解的特點，提高了教學(xué)效果。

3.引入分組交互式教學(xué)

在教學(xué)環(huán)節(jié)中引入分組交互式的開放教學(xué)模式，通過布置電力系統(tǒng)優(yōu)化與決策的課題，讓學(xué)生自主分組，每個小組自主選擇一個課題，以項目擔(dān)當(dāng)?shù)姆绞皆谡n堂外綻開探討式學(xué)習(xí)。教學(xué)方式實行分階段實施，層層推動的方式。要求學(xué)生完成前期調(diào)研與資料搜集、進行問題明確、需求分析、方案設(shè)計、軟件設(shè)計與實現(xiàn)、成果總結(jié)、報告遞交、分組答辯等環(huán)節(jié)，以期培育學(xué)生獨立的科研實力與團隊協(xié)作精神。

三、考核和評價方式改革

本課程考核方式采納了閉卷考試與平常大作業(yè)相結(jié)合的形式，每部分成果各占最終總成果的50%。相關(guān)評分標(biāo)準(zhǔn)是：

在課程結(jié)束后通過閉卷考試，考查學(xué)生對運籌學(xué)的相關(guān)概念與基本原理的理解程度。要求學(xué)生能運用相關(guān)理論與方法對實際問題進行深化分析與數(shù)學(xué)建模，駕馭模型的求解算法與實現(xiàn)步驟。

平常大作業(yè)的成果主要是依據(jù)分組交互式教學(xué)環(huán)節(jié)中綻開的探討式學(xué)習(xí)后提交的報告與答辯狀況來評定。學(xué)生能夠結(jié)合實際課題搜尋文獻，分析數(shù)據(jù)，綜合應(yīng)用運籌學(xué)理論建立模型，采納matlab編寫程序，進行計算機仿真，對模型進行正確求解。求解結(jié)果要真實牢靠，并能結(jié)合探討的實際問題對求解結(jié)果做出較為深化的分析與說明說明。

四、教學(xué)效果

1.課堂教學(xué)效果

通過理論與實踐教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計和多種教學(xué)方式的綜合運用，學(xué)生在課堂上能夠跟隨老師主動主動地進行思索和回答問題，對學(xué)習(xí)充溢了愛好；通過引入大量具有專業(yè)背景的案例分析，學(xué)生能夠清晰地了解課程學(xué)習(xí)的好用性，能夠主動提出問題，并在老師的引導(dǎo)下主動用優(yōu)化思想來考慮問題，建立模型；大多數(shù)同學(xué)能夠獨立地完成試驗內(nèi)容，部分同學(xué)還能夠自發(fā)地將課程學(xué)習(xí)與自己的學(xué)術(shù)探討方向結(jié)合起來。

2.大作業(yè)反饋教學(xué)效果

大作業(yè)能夠充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性。這不僅鞏固了課堂和教材上的內(nèi)容，還有效地訓(xùn)練和培育了學(xué)生的識別、分析和整理數(shù)據(jù)資料的實力，有助于提高學(xué)生對實際問題深化分析的實力，培育創(chuàng)建性的思維模式。已有學(xué)生結(jié)合導(dǎo)師的科研項目做大作業(yè)，所取成果經(jīng)過進一步整理后已經(jīng)在中文核心以上的雜志上發(fā)表。

五、結(jié)論

運籌學(xué)是三峽高校電自專業(yè)碩士探討生培育方案中的重要內(nèi)容，該課程的教學(xué)改革與實踐已經(jīng)積累了豐富閱歷。下一步將依據(jù)學(xué)術(shù)型碩士、全日制學(xué)位型碩士以及工程碩士的不同特點，進一步有針對性地開